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antriebstechnik 9/2017

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LINEARTECHNIK Zähne

LINEARTECHNIK Zähne zeigen Welche Rolle spielen Zahnriemen in Linearachsen zukünftig? Einbaufertige Zahnriemenachsen kommen im Maschinenbau schon lange zum vielfältigen Einsatz. Stetige Verbesserungen bringen neue Anwendungsfelder und technische Umsetzungsmöglichkeiten. Werden diese aber zukünftig als genormte Maschinenelemente verbaut werden können? Prof. Dr. Helmut Braitinger lehrt an mehreren Hochschulen Elektrische Antriebe, Mechanische Antriebstechnik sowie Robotik Elektromechanische Bewegungswandler zur Umwandlung einer rotierenden Antriebsbewegung durch einen Elektromotor in eine lineare Abtriebsbewegung werden in ganz unterschiedlichen technischen Varianten angeboten, insbesondere als Spindelachsen mit Kugelgewindetrieb, Zahnstangenachsen mit Zahnstange-/Ritzel-Antrieb sowie als Zahnriemenachsen. Damit kann der Anwender für jeden Bedarfsfall das jeweils optimale System auswählen. Die verschiedenen Systeme sind zudem häufig in kompatiblen Gehäusen verfügbar und können damit grundsätzlich auch gut modular miteinander kombiniert werden. Die wesentlichen Merkmale der verschiedenen Linearachsen sind bereits früher schon mehrfach untersucht und gegenübergestellt worden [1], [2], [3]. Zahnriemen, normgerecht auch als Synchronriemen bezeichnet, sind ein universelles und vielseitiges Maschinenelement. Vorteilhaft werden diese gerade auch in solchen Bewegungswandlern eingesetzt. Zahnriemen-Linearachsen haben sich daher im Maschinenbau sowie in der Automatisierungstechnik rasch etablieren können und seit vielen Jahren bewährt [4]. Mit einem Marktanteil von mindestens 60 % unter allen vorstehend genannten Varianten von Linearachsen stellen sie daher zugleich die dominierende Lösung für solche Aufgaben dar [5]. In Abhängigkeit von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung haben sich verschiedene Ausführungen von zahnriemenbasierten Linearachsen herauskristallisiert, insbesondere als Linearschlitten, als Lineartisch oder als Linearlaufkatze [4]. Die größte Verbreitung haben sog. Linearachsen auf Basis von Linearschlitten als einbaufertige Antriebsmodule gefunden. Dieser besonderen Bedeutung wegen sollen daher hier speziell solche Zahnriemen-Linearmodule betrachtet werden. Aufbau von Zahnriemen- Linearmodulen Zahnriemen-Linearmodule verkörpern typischerweise in einer einbaufertigen baulichen Einheit Antriebssystem, Tragstruktur, Führung und linear beweglichen Schlitten. Sie werden aktuell von verschiedenen Herstellern mit gestuften oder auch weitgehend frei wählbaren Verfahrwegen sowie für unterschiedliche Belastbarkeiten als Standard-Produkte angeboten. Der Grundkörper besteht meist aus einem Standard- oder Spezial-Strangprofil aus Aluminium, häufig querschnittsoptimiert und/oder versteift, mit an den Enden angebrachten Antriebs- bzw. Umlenkeinheiten. Alternativ hierzu gibt es von einem Anbieter auch eine Ausführung mit einem Ovalrohr als Grundkörper. Gerade diese Ovalrohr-Zahnriemenachse weist aufgrund der gegenüber Aluminiumprofilen besseren Werkstoff-Kennwerte des Ovalrohres aus Stahl entsprechend höhere statische und dynamische Belastbarkeiten auf [6]. Die bewegten Schlitten werden bei manchen Linearmodulen durch zusätzliche Wälzführungen geführt, wodurch zugleich eine entsprechende Steigerung der Belastbarkeit sowie der Gesamtsteifigkeit erreicht wird. Bei den meisten Linearmodulen sind die Antriebseinheiten konstruktiv so gestaltet, dass ein Motoranbau sowohl mit oder ohne Getriebe als auch links- oder rechtsseitig sowie alternativ an beiden Enden möglich ist. Da Zahnriementriebe – im Gegensatz zu Gewindespindel- oder Zahnstange-/ Rit zel-Systemen – grundsätzlich keine Schmierung benötigen, ist der Aufbau und die Integra tion von Zahnriemen-Linearmodulen insgesamt einfach und kostengünstig – und darüber hinaus im Sinne eines Baukastens auch gut modularisierbar. Außerdem entfällt auch ein entsprechender Wartungsaufwand. 40 antriebstechnik 9/2017

LINEARTECHNIK Bei der Wahl geeigneter Zahnriemen müssen natürlich die spezifischen Anforderungen an Zahnriemen-Linearmodule gebührend berücksichtigt werden. Häufig werden diese nämlich in Verbindung mit elektrischen Servoantrieben als lagegeregelte Antriebsachsen eingesetzt. Maximale Bewegungsgeschwindigkeit, hohe Beschleunigungen, hohe Belastbarkeit und hohe Genauigkeit bei möglichst hoher Steifigkeit bestimmen daher im Wesentlichen insbesondere das optimale Zahnprofil, den Zahnriemen-Werkstoff sowie die Ausführung der Zugstränge. In der Regel kommen daher ausschließlich sog. Hochleistungs- Zahnriemen zur Anwendung, welche sich z. B. von den üblichen Normprofilen vor allem durch deutlich höhere Zähne mit entsprechend größeren belastbaren Kontaktflächen unterscheiden [7]. 01 Zahnriemen-Linearachse 02 Ausführung von Zahnriemen-Linearachsen Die Eigenschaften Die Zahnriemen-Linearmodule sind vielseitig und universell einsetzbar. Darüber hinaus weisen sie für den Anwender Vorteile auf: Als einbaufertige Antriebsmodule führen sie zu einer deutlichen Reduzierung des anwenderseitigen Konstruktionsaufwandes, zumal der Markt eine große Auswahl an Ausführungen für die verschiedensten Anforderungen zur Verfügung stellt. Die äußeren Gestaltungsmerkmale erlauben zudem eine modulare Kombinierbarkeit zu Mehrachssystemen. Sie sind insbesondere auch für längere Verfahrwege geeignet (bis ca. 10 m) und weisen darüber hinaus durchaus beachtliche dynamische Kennwerte auf, d. h. hohe Bewegungsgeschwindigkeiten (bis ca. 5 m/s) sowie hohe Beschleunigungen (bis ca. 50 m/s 2 ). Die erreichbaren Wiederholgenauigkeiten mit < 0,1 mm/m Verfahrweg können mit Zahnstange-/Ritzel-Systemen durchaus konkurrieren, weshalb solche Linearmodule vorwiegend auch in lagegeregelten Achsen Verwendung finden. Die Zahnriemen als Bindeglied zwischen Antriebsmotor und bewegter Last weisen zwar einerseits nur eine begrenzte Steifigkeit auf, was sich andererseits auf ein geringes Bewegungsgeräusch auswirkt und zudem eine gewisse dämpfende Wirkung entfaltet, insbesondere bei Lastwechseln. Den genannten Vorteilen stehen natürlich auch, allerdings vergleichsweise wenige, systembedingte Nachteile gegenüber. Die begrenzte Steifigkeit z. B., welche oben bereits mit ihren positiven Auswirkungen erwähnt wurde, kann andererseits aber auch dazu führen, dass der Zahnriemen sich während der Betriebszeit – je nach Werkstoff der Zugstränge – geringfügig dehnen kann und dadurch die Vorspannung reduziert wird. Erschwerend kommt noch hinzu, dass sich die Trumlängen – und damit auch der Belastungsausgleich für den Zahnriemen zwischen Lasttrum und Leertrum – bei Bewegung permanent ändern. Außerdem besteht bei extremen Lastwechseln bzw. im Reversierbetrieb auch eine Neigung zu Schwingungen des Zahnriemens. Allgemein ist die richtige Vorspannung des Zahnriemens insgesamt von hoher Bedeutung und erfordert entsprechend große Sorgfalt. Die Eigenschaften zeigen, dass die Vorteile von Zahnriemen-Linearmodulen im Vergleich zu alternativen mechanischen Linearachsen eindeutig überwiegen. Neben den zahlreichen technischen Vorteilen führen insbesondere auch die geringen Kosten dazu, dass solche Zahnriemen-Linearmodule aus dem Maschinenbau und der Automatisierungstechnik nicht mehr wegzudenken sind. Die Einsatzgrenzen Die Einsatzgrenzen von Zahnriemen-Linearmodulen ergeben sich im Wesentlichen aus n der max. Belastbarkeit des verwendeten Zahnriemens n dem Verschleißverhalten des Zahnriemens n der max. zulässigen Bewegungsgeschwindigkeit der Führungselemente n der mechanischen Steifigkeit des Gesamtsystems. Dabei wird die Grenze der Belastbarkeit des Zahnriemens i. a. dann erreicht, wenn das von der eingestellten Vorspannung und der zusätzlich auftretenden Umfangskraft abhängige Teilungsmaß der Riemenzähne und die Teilung der Riemenscheiben so erheblich voneinander abweichen, dass eine elastische Verformung der Riemenzähne dies nicht mehr ausgleichen kann. Die daraus entstehenden Eingriffstörungen füh- 03 Zahnriemen-Linearmodul antriebstechnik 9/2017 41

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